高土石坝堆石料缩尺效应研究

通过堆石料室内大型三轴试验、数值模拟及现场原级配料载荷试验,分析缩尺效应对堆石料工程特性的影响。结果表明:室内试验颗粒最大粒径小于原级配颗粒最大粒径,忽略了颗粒破碎对筑坝料变形的影响,导致室内试验得到的参数大于堆石料实际变形参数;数值模拟试样级配变化较大,堆石料较为均匀,制样孔隙比大,试样干密度也远小于施工控制的干密度,试验时加载过程中颗粒的压缩和压密加剧了筑坝料的变形,导致模拟得到的变形参数偏小。堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响;随堆石料最大粒径的增大,初始摩擦角稍有增加,摩擦角衰减值明显增加,体变模量明显减小,模量系数变化相对较小。     

级配缩尺对堆石压缩特性影响试验研究

选用两项工程筑坝堆石材料,将原级配堆石料按不同的缩尺方法和不同最大控制粒径进行缩尺,并对同种堆石材料选取相同的相对密度控制指标,研究了缩尺后堆石材料压缩特性的变化规律和级配特征对压缩特性影响规律。结果表明:缩尺后堆石材料的压缩模量随缩尺后最大粒径和各特征粒径的增大而减小,粒径增大约3倍,压缩模量减小幅度可达约1/2,随原级配最大粒径的增加,缩尺后材料的控制粒径对压缩模量的影响更为显著;缩尺后材料级配的不均匀系数越大,压缩模量越小,曲率系数越大,压缩模量越高,采用等量替代法缩尺获得的堆石材料压缩模量随粒径增大的减小幅度大于采用相似级配法后的值。对于不同的堆石材料,由于母岩岩性以及材料原级配等方面存在差异,研究成果有待更多验证。     

基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究

堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法,仅有一个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现,该算法能够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度,为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响,结果表明：本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原型级配的堆石料压实密度,但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差,误差与细料含量呈正相关;堆石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低,有降低压实密度的趋势,而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无统一的规律,而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。     

考虑缩尺效应粗粒料单向压缩湿化变形试验研究

以双江口堆石坝主堆石料设计级配为原型,利用单向压缩仪,考虑不同缩尺方法和颗粒最大粒径,对某不同级配粗粒料进行了固定竖向荷载下的湿化变形试验研究。分析试验结果,讨论了不同缩尺方法对粗粒料试验结果的影响,探讨了在单向压缩试验条件下粗粒料的湿化变形规律。发现湿化后试样变形随压力增加呈线性增长,其弹性模量Et较干态粗粒料小。同时还讨论了颗粒破碎的影响因素,粒径越大越易发生破碎,破碎率和粗粒料的级配有关。     

考虑缩尺效应对堆石料颗粒破碎影响的压缩试验研究

大量的压缩试验结果表明，堆石料试样的压缩特性和颗粒破碎特性存在明显的缩尺效应，但系统研究缩尺方法、试样最大粒径、试样直径等对颗粒破碎特性的影响较少。采用侧限压缩试验开展灰岩堆石料的尺寸效应研究，分析了缩尺方法、试样直径和试样最大粒径对压缩特性和颗粒破碎特性的影响规律。结果表明：压缩系数随着试样中粗颗粒含量的上升呈先降低后增大的趋势，压缩系数与试样最大粒径呈正相关，与试样直径呈负相关；引入相对颗粒破碎率评价指标，建立了缩尺方法与相对颗粒破碎率之间的幂函数关系，相对颗粒破碎率随试样直径和试样最大粒径的发展规律可拟合为曲面方程。研究成果可为进一步构建考虑缩尺效应的弹塑性本构模型提供理论基础。     

粗粒料缩尺效应影响因素分析

总结了在研究缩尺效应对粗粒料强度及变形特性的影响规律时应考虑的影响因素主要包括缩尺方法的影响、替代料密度控制问题以及颗粒破碎对缩尺效应的影响等.对双江口堆石料进行了四种方法缩尺后试验料的三轴固结排水剪试验,振动压实试验,研究了强度及压实性的差异.分析了常用的缩尺方法的优缺点,指出室内试验时试验级配料试样密度控制的重要性以及合理的密度控制方法.分析了由于颗粒破碎引起试验土料级配变化从而影响缩尺效应评价的问题.最后,提出了缩尺效应研究中应综合考虑的几个问题.     

堰塞坝料室内试验缩尺效应研究

因室内试验设备尺寸的限制，需将坝料的最大粒径缩尺至室内试验设备的容许尺寸，粒径缩尺导致室内试验参数与原始粒径下的实际参数有差异。对取自现场的某堰塞坝料按规范方法缩尺后，开展不同最大粒径下的干密度、渗透系数、三轴剪切室内试验。结果表明：缩尺导致粒径小于5 mm的细颗粒含量增加并影响试样密实程度；随着最大粒径的减小，试样渗透系数逐渐降低，直接采用缩尺后的试验结果会高估堰塞坝料的抗渗能力；缩尺对强度指标φ值影响不大，但缩尺后的试样最大粒径越小，邓肯-张模型参数的K、Kb值越大，模型参数n、m值越低，缩尺后的试验结果高估了堰塞坝料强度和坝体抵抗变形的能力，低估了堰塞坝体的实际变形。研究结果可为坝体稳定性分析与变形分析提供参考。     

人工模拟堆石料强度和变形特性试验研究

堆石料的强度与变形机理非常复杂,颗粒破碎是影响堆石料强度和变形的重要因素。本文采用水泥净浆浇筑大量单一粒径、大棱角人工模拟堆石料颗粒,从而基于三轴试验研究了不同围压条件下人工模拟堆石料的强度和变形特性,对颗粒破碎程度和形态进行了细化,探讨了颗粒破碎对堆石料体积变形的影响。结果表明,堆石料的棱角特性对堆石体颗粒破碎有着显著的影响,从而对堆石体的强度和变形特性产生影响。堆石料的颗粒破碎形态可分为棱角破碎、剪切面破碎和完全破碎;以剪切面破碎和完全破碎为主,随着围压的升高,棱角破碎对颗粒破碎的贡献越来越大。剪切面破碎和完全破碎是影响堆石料颗粒破碎增长不均匀性的主要因素。     

宜兴抽水蓄能电站上库主坝堆石料的特殊研究

针对宜兴抽水蓄能电站上库主坝建在倾斜基础面上的实际情况,对坝体堆石料特性进行了两项特殊研究.现场试验研究表明各种堆石料与基岩面之间的抗剪强度均小于该种堆石料本身的抗剪强度,加大基岩面的粗糙度有利于提高该项抗剪强度.对砂岩夹泥岩堆石料浸水后变形特性的室内试验研究表明其湿陷特性指标处于一般堆石料常见值范围内;评价堆石料浸水饱和后的表现,不能只看堆石料软化系数的大小,还要考察堆石料饱和抗压强度等力学性能指标.研究成果为充分利用上库库盆开挖料筑坝并降低工程投资提供了科学依据.     

宜兴抽水蓄能电站上水库主坝堆石料湿陷变形研究

宜兴抽水蓄能电站上水库主坝采用库盆开挖料填筑，库盆出露的基岩为五通组砂岩夹泥岩和茅山组砂岩夹泥岩，针对这两组岩性具有泥岩含量较高、软化系数偏小的特点进行了混合堆石料湿陷变形研究，分析砂岩夹泥岩堆石料在长期浸水作用下附加沉降对坝体变形的影响。试验成果表明，砂岩夹泥岩堆石料的湿陷系数小于1.5％，该工程堆石料不具有明显的湿陷性；堆石湿陷特性与其饱和抗压强度有密切关系；主坝堆石料的湿陷特性指标处于一般堆石料常见值范围内。在对库盆采取了全面的防渗排水措施后，主坝建成后运行期间堆石不具备发生大范围饱和的可能。研究成果为充分利用库盆开挖料筑坝以降低工程投资提供了科学依据。     

粗粒土颗粒破碎多重分形特性研究

粗粒土的颗粒破碎影响其强度、刚度和变形,故引入分形理论量化破碎程度。依据粒度分形曲线存在折线性,阐释界限粒组含义,提出以界限粒径为限,分段概化土体多重分形特征,计算其多重分形维数D(r),总结D(r)增量变化规律,建立增量计算模型,量化颗粒破碎程度。理论及试验分析表明:等效替代缩尺方法减小D(r),对界限粒径影响不显著,缩尺前后颗粒分形特性保持一致;不同尺寸颗粒破碎概率不同,粗粒段破碎概率高于细粒段破碎概率。细粒段D(r)增量随干密度的增加先缓慢增大后急剧增大,随围压增大而减小,其增量与干密度及围压为指数函数关系;粗粒段D(r)增量随干密度增加先增大后减小,其增量与干密度及围压呈高次非线性规律。据此建立考虑干密度及围压影响的D(r)增量模型,用MatLab作多元非线性回归分析求解系数,对比模型值与试验值分布规律,分析其残差置信度。研究结果表明模型结构合理,可为评价粗粒土多重分形特性及量化颗粒破碎效应提供一种简便有效的方法,可提高粗粒土工程应用科学性及可靠程度。     

考虑振动碾压引起的颗粒破碎对堆石坝变形计算的影响

采用振动碾压填筑堆石坝的过程中,堆石料会发生大量的颗粒破碎,导致粗粒含量减小,细颗粒含量增加,碾压后的级配与设计级配已经不再相同。然而,目前在可研和初设阶段,开展现场碾压试验难度大,而有限元计算大坝变形时采用的堆石料计算参数往往都是设计级配(未考虑碾压)的三轴试验结果。实际上,设计级配的变形模量比碾压后级配(相同密度条件下)的试验结果高。本文参考已建大坝碾压时颗粒破碎的实测结果,采用考虑颗粒破碎的状态相关的堆石料弹塑性本构模型,开展了大坝施工和蓄水的有限元分析研究,计算结果表明:是否考虑碾压过程中的颗粒破碎对大坝变形计算结果有着较大的影响,如果在三轴试验或计算分析中不考虑这个因素,会明显地低估大坝的变形,对大坝的安全性评价是十分不利的,这可能是目前有限元计算的高坝沉降变形比实测偏小的主要原因之一。     

风化模型在粗粒土颗粒破碎研究中的应用

对古水面板堆石坝玄武岩筑坝粗粒土堆石料进行了颗粒破碎试验。依据试验前后试样的颗粒级配曲线,研究了风化模型参数与颗粒破碎之间的关系。研究结果表明,风化模型能够很好地拟合试验前后土体的颗粒级配曲线,对于大粒径颗粒（大于5 mm）的级配拟合效果远优于分形几何模型;风化模型参数本质上反映了土体颗粒级配曲线与土体最大颗粒粒径线围成面积的大小及其分布状态;相对破碎参量Br是风化模型参数的函数,可以直接通过试验前后土体颗粒级配曲线的风化模型参数求出。     

分形理论在堆石料流变中的应用

流变过程中堆石颗粒不断破碎,分形维数在流变过程中随时间发生变化。基于流变过程基本规律,将分形理论应用于堆石料流变过程,构造了两类随时间变化的流变过程分形维数,并建立了颗粒破碎率与分形维数的关系。通过分析过程流变试验颗粒破碎率的变化规律,验证了流变过程中双曲线型分形维数假定的合理性。在此基础上,考虑流变过程中的能量关系并结合颗粒破碎耗能的相关研究,进一步推导了堆石料流变过程中体变随时间的变化规律,从而建立堆石料特定荷载情况下的流变本构模型。与试验结果对比表明:该模型可以从分形的角度反映堆石料流变规律。     

考虑后期变形影响的高面板堆石坝工作性态

由于面板堆石坝工作条件复杂,受到尾水位升降等干湿循环的影响会产生湿化变形;又由于堆石料处在高坝高应力状态下,会导致由颗粒破碎引起随时间变化的流变变形。认为高坝有限元计算必须考虑这两者引起的后期变形的影响。对某超高混凝土面板堆石坝进行了考虑后期变形与不考后期变形的对比计算,结果表明后期变形较大程度上改变了大坝的变形和应力,对面板变形和应力影响甚大。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

Packing,compressibility, and crushability of rockfill materials with polydisperse particle size distributions and implications for dam engineering

In rockfill dam engineering, particle breakage of rockfill materials is one of the major factors resulting in dam settlement. In this study, one-dimensional compression tests on a series of coarse granular materials with artificially-graded particle size distributions (PSDs) were carried out. The tests focused on understanding the role of initial PSDs in the dense packing density, compressibility and crushability of coarse granular materials. The effects of fractal dimension (D) and size polydispersity (θ) of PSDs were quantitatively analyzed. Two different loading stages were identified from the logarithms of the stress–strain relationships, with the turning point marked as the yield stress. A similar effect of initial PSDs was observed on the packing density and low-pressure modulus of coarse granular materials. The packing density and low-pressure modulus increased monotonically with θ, and their peak values were attained at a D value of approximately 2.2. However, there was no unique correspondence between the dense packing density and low-pressure modulus. The particle breakage was influenced differently by the initial PSDs, and it decreased with the values of D and θ. The emergence of the unique ultimate state was also identified from both the compression curves and PSDs of the samples after the tests. The potential implications of the test results in the design of both low and high rockfill dams were also demonstrated.     

考虑级配效应的堆石料颗粒破碎与变形特性研究

通过6组级配堆石料的相对密度试验和大型三轴试验,分析了堆石料级配与抗剪强度、剪胀性、压缩性及颗粒破碎之间的规律,建立了堆石料广义塑性模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并利用不同级配的三轴试验结果验证其合理性。结果表明:堆石料的性质与级配密切相关,采用制样分形维数的二次函数可以较好地反映级配对其物理力学性质的影响。研究结论可为考虑级配影响的堆石体应力变形计算提供依据。     

Discrete element simulation of crushable rockfill materials

A discrete element method was used to study the evolution of particle crushing in a rockfill sample subjected to triaxial shear. A simple procedure was developed to generate clusters with arbitrary shapes, which resembled real rockfill particles. A theoretical method was developed to define the failure criterion for an individual particle subjected to an arbitrary set of contact forces. Then, a series of numerical tests of large-scale drained triaxial tests were conducted to simulate the behaviors of the rockfill sample. Finally, we examined the development of micro-characteristics such as particle crushing, contact characteristics, porosity, deformation, movement, and energy dissipation. The simulation results were partially compared with the laboratory experiments, and good agreement was achieved, demonstrating that the particle crushing model proposed can be used to simulate the drained triaxial test of rockfill materials. Based on a comparison of macro behaviors of the rockfill sample and micro structures of the particles, the microscopic mechanism of the rockfill materials subjected to triaxial shear was determined qualitatively. It is shown that the crushing rate, rather than the number of crushed particles, can be used to reflect the relationship between macro- and micro-mechanical characteristics of rockfill materials. These research results further develop our understanding of the deformation mechanism of rockfill materials.